半导体产业：走出技术极限

    半导体产业：走出技术极限




    作者：莫大康


    世界上没有哪一类工业，像半导体工业那样充满着创新与变革。正如美国参议院武装力量委员会发布的白皮书《美国半导体产业国际化转移和国家安全》中指出，真正的危险是基于半导体产业而获得的世界创新中心的地位，如果此种智慧创新能力的可怕丧失，将使美国社会在各个领域遭遇全方位的衰落。

    由此可以回答一个长久不得其解的问题，为什么中国能造原子弹、氢弹及宇宙飞船，却不能在半导体业中取得突破。其中充分反映出半导体涉及的是整个国家工业的基础。

    半导体工业有其特殊性。例如传统工业中，材料纯度一般为2个“9”，至多4个“9”，而在半导体业中提升至8个“9”以上。加之半导体业中使用的各种材料，包括化学试剂、气体、不锈钢管道及阀门等，在洁净度及抗腐蚀性等方面都有特殊要求。因此，从半导体工业衍生出许多新兴工业，如洁净工业、高纯化学试剂工业等。从量变到质变，半导体工业反映了国家的工业基础及综合实力，非短时期内可以全面解决。

    另外，无法回避的物理极限、摩尔定律终将寿终正寝。如依英特尔的工艺路线图，至2011年时为22纳米节点。如果再假设每两年推进一个节点，至2013年为16纳米，2015年为9纳米，照此推算到2015年左右,硅基材料将退出历史舞台。

    2015年极限真的到来？
    2015年极限真的会出现吗？至少业界还未形成共识。因为理解所谓极限包含以下内涵：

    ● 二氧化硅层的极限
    在65纳米节点，二氧化硅层的厚度已下降到1.2纳米，亦即5至6个原子的厚度，如果二氧化硅层的厚度进一步缩小，将引起漏电流及功耗急速上升。因此从45纳米节点开始，许多厂商改用铪基高k介质材料(k值在15至20)来替代二氧化硅，达到延伸硅基材料寿命的目的。

    ● 光刻的极限
    从经济成本考虑，业界正在尽可能地延伸光学光刻方法的寿命。从193纳米至193纳米浸液式，以及两次曝光等方法，下一步可能的方案为EUV及电子束等。目前来看,193纳米仍有较强的生命力，有希望延伸至32纳米。但是无论EUV或者电子束都存在不可逾越的困难，如EUV尚有光源功率不够、光刻胶及反射式光学系统等问题，以及电子束存在每小时硅片产出量不足等困境。虽然截止今日，上述问题的解决都还看不到曙光，但是仅从技术角度，电子束技术应该更具竞争力。

    ● 经济成本的极限
    假设技术上行得通，但是成本太高，或者投入的回报率过低，工业也无法推进。业界俗称“后摩尔定律”，从经济上考量无法让市场接受，也促使半导体工业必须另辟新的途径。例如，业界估计一台EUV光刻机的价格超过5000万美元，使得一条生产线的投资达50亿美元以上，导致未来摩尔定律的极限在很大程度上可能由经济考量来作最终决定。

    综上所述，从现在算起，摩尔定律还有十年寿命，还是比较可信的。

    推动工业进步的动力在哪里?
    回顾历程，推动半导体工业进步有两个轮子，一个是缩小尺寸，另一个是增大硅片直径，而且以缩小尺寸为先。

    然而，随着工业的进步，两个轮子的内涵已经发生了巨大的变化。由于投资强度越来越大，且相比于10年前投资的回报率低，加上先进制程的研发成本太高，如45纳米及32纳米的工艺研发费用分别高达24亿及30亿美元,使单个企业已无法承担如此大的风险；同时还面临着先进制程（如65纳米及以下）产品有多大市场需求等问题。受成本的限制，非量大面广的产品无法被市场所接受，因此唯有处理器及存储器类产品尚有推进的意愿与动力。所以业界有人预测，未来半导体业将是处理器、存储器及代工加fabless，三足鼎立局面，颇有些哲理。

    在此背景下工业变革的动力在哪里？可能缩小特征尺寸或是扩大硅片直径不久也将成为历史。IBM当初在0.13微米工艺研究显示，80％的芯片性能演进来自材料改良，也就是说，摩尔定律的延续80％的贡献来自材料，只有20％来自工艺缩微。这个现象正在改变产业，材料创新将扮演摩尔定律重要的推动力。

    从投资回报率角度，业界思考更多的可能是如何提高芯片的功能及降低功耗，发挥现有8英寸及12英寸生产线的潜力，以及如何通过提高效率、改善成品率及生产管理来进一步降低芯片的制造成本。

    为什么半导体还有生命力？
    市场需求是推动半导体产业发展的基础。目前市场对于半导体的需求，以及半导体的应用领域正变得越来越广，是半导体工业仍具强生命力的有力表征。

    对半导体的需求通常可用电子产品中的硅含量来表述，即每个电子产品中，半导体含量占产品价格的百分比。例如一台模拟电视机的价值为2000元，其中所有半导体元件的总值为200元，表示硅含量为10％；再如一台Nokia的智能手机，价值5000元，而其中半导体元件的总值达1500元，表示硅含量为30％。随着技术的进步，新的电子产品中硅含量的不断提高，以及市场需求总量的增大，不断推动半导体业向前发展。



    iSuppli最新的市场预测显示（见表1），除了09年可能增长稍缓，其它的每年都有近10％的增长。另一个明显的特点是，如今再也看不到下降的周期，反映出全球半导体业越来越趋成熟。
    其实，半导体的应用领域非常广阔。如业界预测，全球手机目前的保有量为24亿支，不久将扩大至40亿支。又如计算机，目前年销售才2.5亿台，未来这个数字将达到20亿台。除了目前PC、手机、无线应用等外，如医疗电子、机器人、游戏机、汽车电子等市场都将有大的发展空间，只是价格下降的压力仍十分严峻，这也是继续推动工业变革的动力。

    摩尔定律之后
    IBM的陈自强院士最近指出：摩尔定律是系统性能的提高，不仅局限于半导体。估计CMOS技术仍有8至10年的寿命，退一步讲，即使工艺达不到，还可用其它方法来弥补，如电路设计、芯片架构及编译器上的创新。最佳案例是指系统级芯片(SoC)，将混讯、模拟、数字及电源管理或者嵌入式存储器同时设计在一款单芯片上，涵盖范围越来越广泛，同时也需要同一作业平台同时能运行这些不同功能。

    从物理概念上讲,在15纳米节点时，业界至今还没找到解决的方法。但是多核、提高带宽、三维封装，及将I/O数量在目前基础上增加1000倍等方案，使摩尔定律又可延长5至10年，所以总计还有20年左右时间。

    目前已处于研发中的替代技术，包括电荷(Electronics charge)、原子/分子排列、量子计算、光子、电子自旋(Spintronics)及DNA技术各有特点。以电子自旋为例，其功耗可以低至晶体管电路的1/10E6，可以垂直堆叠100层的高度，从而使得存储密度大幅上升。不过，这种技术的集成度还无法提高到所需的程度。

    目前最有希望成为下一个替代技术的碳纳米管(CNTs)技术尚处在研发中，整个产业已经在此项技术上投入了将近10年左右的研发时间。但是，在材料提纯、材料处理(如何利用物理和化学方式将特定功能的碳管置于特定功能的基板上、如何控制碳管的排列方式)以及提高集成度(绝缘氧化层的沉积、原位表面掺杂、保护膜沉积、选择性的蚀刻)等方面的问题仍然悬而未决。

    今天的芯片已经可以集成上亿个晶体管，但是即使最新的碳纳米管电路，也只能集成5个碳管。另外，虽然我们已经实现了工作频率为70MHz的碳纳米管电路，较之前的70Hz有了大幅提高，但是距离要求的目标还有10万倍的距离。尽管碳纳米管技术已经证明要比晶体管好，但是还需要10～20年左右的时间来克服这些挑战。

    摩尔定律何时终止？16纳米或是9纳米其实已不重要。相信工业的进步迟早会有新的替代品呈现。工业总能在新的环境下及时调整发展策略，使其潜能充分地发挥出来，由此推断全球半导体业的明天会更好。